集成電路工藝之刻蝕硅片工藝流程MaterialsDesignMasksIC

FabTestPackagingFinal

TestThermalProcessesPhoto-lithographyEtchPR

stripImplantMetallizationCMPDielectricdepositionWafers刻蝕1、基本介紹2、濕法刻蝕3、干法刻蝕4、刻蝕工藝刻蝕的定義基于光刻技術(shù)的腐蝕：刻蝕濕法稱腐蝕？干法稱刻蝕？將光刻膠上的IC設(shè)計(jì)圖形轉(zhuǎn)移到硅片表面腐蝕未被光刻膠覆蓋的硅片表面，實(shí)現(xiàn)最終的圖形轉(zhuǎn)移化學(xué)的，物理的或者兩者的結(jié)合柵極光刻對(duì)準(zhǔn)P-WellUSGSTI光刻膠多晶硅柵極光刻掩膜柵極光刻曝光Gate

MaskP-WellUSGSTIPhotoresistPolysilicon顯影/后烘/檢驗(yàn)P-WellUSGSTIPRPolysilicon多晶硅刻蝕（1）P-WellUSGSTIPolysiliconPR多晶硅刻蝕（2）STIGate

OxidePolysiliconPRUSGP-Well去除光刻膠P-WellUSGSTIGate

OxidePolysiliconP-WellUSGSTIn+n+Source/Drain離子注入GateOxideDopantIons,As+

Polysilicon快速熱退火P-WellUSGSTIGate

OxidePolysilicon

GateSource/Drainn+n+刻蝕術(shù)語Etch

rate

刻蝕速率Selectivity選擇比Etch

uniformity均勻性Etch

profile側(cè)墻輪廓Wet

etch濕法刻蝕Dry

etch干法刻蝕Endpoint

終點(diǎn)檢測(cè)刻蝕速率刻蝕速率是指單位時(shí)間內(nèi)硅片表面被刻蝕的材料去除量0 1Δd

=

d

-

d

(?)是材料膜厚度的變化，

t

刻蝕時(shí)間(分)EtchRate

=Δdt(?/min)d1d0Δd刻蝕前刻蝕后刻蝕速率刻蝕后膜厚的變化刻蝕速率 =刻蝕時(shí)間PE-TEOS

PSG

膜,在

22

°C

6:1

BOE

中濕刻1分鐘,刻蝕前,

d

=

1.7

m,

刻蝕后,

d

=

1.1

mER

=17000-11000-----------------1= 6000

?/min均勻性刻蝕的均勻性是衡量刻蝕工藝

在硅片內(nèi)和硅片間的可重復(fù)性刻蝕本身的均勻性和材料膜厚的均勻性特征尺寸的負(fù)載效應(yīng)（loading

effect)通常用標(biāo)準(zhǔn)偏差來定義不同的定義給出不同的結(jié)果非均勻性標(biāo)準(zhǔn)偏差Nx

x1

x2

x3

xN(

x1

x

)

(

x

x

)

(

x

x

)

(

x

x

)2 2 2 22 3 NN

測(cè)量N

點(diǎn)測(cè)量到的最大刻蝕速率Emax=EminEave=

測(cè)量到的最小刻蝕速率=

刻蝕速率平均值非均勻性表達(dá)式刻蝕的非均勻性（NU）可由下面的公式計(jì)算(稱為Max-Minuniformity,

適用于超凈廠房的作業(yè))NU(%)=(Emax-Emin)/

2EaveS

=E1E2選擇比

Selectivity選擇比是不同的材料的刻蝕速率的比值在有圖形的刻蝕中是非常重要的對(duì)下層材質(zhì)和光刻膠的選擇性E1E2PRBPSGPoly-SiSiPRBPSGPoly-SiSiGate

SiO2BPSG

對(duì)

Poly-Si的選擇比:選擇比SelectivitySelectivity =Etchrate

2對(duì)于PE-TEOS

PSG

膜刻蝕速率是

6000?/min,對(duì)于硅的刻蝕速率是30

?/min,

PSG

對(duì)

siliconSelectivity

=6000-----------------30= 200:

1刻蝕Etchrate

11、基本介紹2、濕法刻蝕3、干法刻蝕4、刻蝕工藝濕法刻蝕化學(xué)溶液溶解硅片表面的材質(zhì)刻蝕后產(chǎn)品是氣體，液體或是可溶解在刻蝕溶液中的材質(zhì)。三個(gè)基本步驟：腐蝕，清洗，干燥。蝕刻劑浸泡去離子水清洗旋轉(zhuǎn)甩干濕法刻蝕－2純化學(xué)性工藝，各向同性的側(cè)壁形貌，高選擇比在特征尺寸大于3微米時(shí)曾被廣泛應(yīng)用于IC制造業(yè)。目前已被干法（等離子）刻蝕取代。仍被應(yīng)用在先進(jìn)的IC廠硅片的清洗無圖形的薄膜去除，如氮化硅和鈦的去除。測(cè)試硅片的薄膜去除和清洗。應(yīng)用于

CVD膜質(zhì)量的控制

(緩沖氧化層刻蝕劑或BOE)二氧化硅的濕法刻蝕氫氟酸溶液

(HF)，極高的選擇比。通常用緩沖劑或去離子水稀釋減少刻蝕速率SiO2+6HF

H2SiF6+

2H2O廣泛的應(yīng)用于CVD長膜質(zhì)量控制BOE:

Buffered

oxide

etch緩沖氧化層腐蝕液4NHF(6Vol40%):HF(1Vol

49wt%)BSG

>

CVDSiO2

>

熱SiO2

>

PSG？硅或多晶硅的濕法刻蝕硅刻蝕通常使用混合的硝酸(HNO3)

和氫氟酸(HF)。HNO

氧化硅的同時(shí)，氫氟酸移去氧化硅。3去離子水或乙酸可作為稀釋劑，降低刻蝕速率。Si+2HNO3+6HF

H2SiF6+2HNO2+

2H2O腐蝕速度強(qiáng)烈依賴摻雜濃度以及腐蝕液配比氮化硅的濕法刻蝕?

熱(150to200°C)磷酸H3PO4溶液。對(duì)硅、二氧化硅有高選擇比。應(yīng)用于

LOCOS

和STI氮化硅去除。Si3N4+4H3PO4

Si3(PO4)4+

4NH3鋁的濕法刻蝕?

80%

磷酸,5%

乙酸,5%

硝酸,

和

10%水加熱溶液(42

to

45

C)硝酸使鋁氧化，

同時(shí)磷酸移除被氧化的鋁。.乙酸減低硝酸的氧化速度。鈦的濕法刻蝕1:1

雙氧水(H2O2)

和硫酸(H2SO4)

混合溶液。H2O2將鈦氧化成TiO2H2SO4

和TiO2

反應(yīng)同時(shí)移除它H2O2將硅和硅化物氧化

成SiO2H2SO4

不和SiO2反應(yīng)自對(duì)準(zhǔn)鈦硅化物的形成Polysilicon

gateGate

oxiden-n+n-n+TiPolysilicon

gateGate

oxiden-n-n+n+TiSi2TiSi2TiGate

oxiden-n-n+n+TiSi2鈦淀積硅化物退火濕法去除鈦化學(xué)溶液的危險(xiǎn)性HF

、H3PO3、HNO3侵蝕、氧化、特殊的危害HF

：即使接觸也不會(huì)感覺到損傷骨頭，中和鈣劇烈疼痛不要心存僥幸.

視IC工廠中所有未知的溶液為HF.濕法刻蝕的優(yōu)缺點(diǎn)高選擇比。相對(duì)便宜的設(shè)備。批處理，高產(chǎn)出。各向同性的形貌不能形成3微米以下的圖形化學(xué)劑用量大化學(xué)劑的危害性刻蝕1、基本介紹2、濕法刻蝕3、干法刻蝕4、刻蝕工藝干法刻蝕主要為等離子體刻蝕等離子體中含有高活性自由基和離子自由基具有強(qiáng)烈的氧化性離子具有一定的動(dòng)能僅利用活性自由基的純化學(xué)刻蝕：PE同時(shí)化學(xué)和物理反應(yīng)：RIE目前大部分圖形刻蝕都采用RIE干濕法刻蝕的比較Wet

EtchDry

EtchEtch

BiasUnacceptablefor<

3

mMinimumEtch

ProfileIsotropicAnisotropictoisotropic,

controllableEtch

rateHighAcceptable,

controllableSelectivityHighAcceptable,controllableEquipment

costLowHighThroughputHigh

(batch)Acceptable,

controllableChemical

usageHighLow干法刻蝕的三種方式化學(xué)(PE，利用活性自由基)物理(IBE，利用賦能離子)化學(xué)＋物理(RIE，同時(shí)利用活性自由基和離子)化學(xué)方式純化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)產(chǎn)物是氣體高選擇比各向同性的形貌例如:干法去膠LOCOS

和STI

的氮化硅去除物理方式物理反應(yīng)：從表面移走材料惰性離子如Ar+轟擊表面進(jìn)行濺射等離子體工藝各向異性形貌低選擇比例如:–

氬濺射刻蝕物理/化學(xué)混合方式（反應(yīng)離子刻蝕

(RIE)

）結(jié)合物理和化學(xué)的刻蝕等離子體：離子轟擊加上自由基反應(yīng)名字的誤導(dǎo),

應(yīng)該稱為離子輔助刻蝕

(IAE)高速可控的刻蝕速率各向異性可控的形貌好的可控的選擇比在8英寸廠所有的圖形刻蝕都使用RIE工藝。三種干法刻蝕方式的比較Chemical

EtchRIEPhysical

EtchExamplesPR

stripPlasmapatterned

etchesArgon

sputteringEtch

rateHighto

lowHigh,

controllableLowSelectivityVery

goodReasonable,

controllableVery

poorEtch

profileIsotropicAnisotropic,

controllableAnisotropicEndpointBytimeor

visualOpticalBy

time010203040506070TimeSilicon

Etch

Rate

(?/min)XeF2OnlyXeF2+

ArAr+ +OnlyPE RIE IBE三種干法刻蝕速度比較側(cè)墻形貌控制通過應(yīng)用離子轟擊可得到可控的各向異性形貌。各向異性產(chǎn)生機(jī)理：損傷機(jī)理保護(hù)機(jī)理損傷機(jī)理強(qiáng)烈的離子轟擊破壞化學(xué)鍵。暴露在表面的原子更易和自由基反應(yīng)。離子轟擊是垂直方向的。各向異性刻蝕—垂直方向的刻蝕速率遠(yuǎn)大于水平方向。損傷機(jī)理圖示IonsEtch

ByproductEtched

Atomor

moleculeEtchant

freeradicalBrokenbondsExposedatomPRPR保護(hù)機(jī)理濺出光刻膠和/或化學(xué)反應(yīng)生成副產(chǎn)品。副產(chǎn)品物質(zhì)淀積在表面。離子轟擊是垂直方向的。底部淀積不會(huì)發(fā)生。刻蝕主要是垂直方向的。側(cè)壁淀積保護(hù)側(cè)壁。Ions保護(hù)機(jī)理圖示SidewalldepositionPRKnockedaway

bottomdepositionEtch

ByproductEtched

Atomor

moleculeEtchant

freeradicalPR刻蝕的機(jī)理和應(yīng)用純化學(xué)ReactiveIonEtch

(RIE)Pure

PhysicalEtchBlocking

mechanismDamaging

mechanismNoionbombardmentLightion

bombardmentHeavyion

bombardmentOnlyionbombardmentPR

stripSinglecrystalsilicon

etchTi

stripPolysilicon

etchOxide

etchSputtering

etchNitride

stripMetal

etchNitride

etch等離子刻蝕腔批處理系統(tǒng)單片處理系統(tǒng)高密度等離子系統(tǒng)–ICP–ECR–Helicon批處理PE系統(tǒng)高產(chǎn)出較老的系統(tǒng)較小的硅片直徑,

<150

mm

或

6inch順流和桶式刻蝕系統(tǒng)–兩者都是純化學(xué)刻蝕沒有離子轟擊順流(down-stream)等離子(PE)刻蝕系統(tǒng)ProcessgasesPlasmaMicrowaveor

RFRemote

PlasmaChamberFree

RadicalsEtch

ChamberWafersByproductstoVacuum

Pump桶式PE刻蝕系統(tǒng)RFRFRFRFEtchGasInPlasmaEtchTunnelWaferTo

Pump批處理RIE系統(tǒng)Chamber

LidWafersPlasmaToVacuum

Pump

單片RIE系統(tǒng)圖示Process

gasesPlasmaProcess

chamberBy-productstothe

pumpChuckRF

PowerHeliumForbackside

coolingMagnet

coilsWafer刻蝕腔的氣壓要求超深亞微米后，要求低氣壓系統(tǒng)。低壓下：自由基更長的平均自由程，較少的碰撞高離子能量,

低離子散射和更好的各向異性形貌。有助于去除刻蝕副產(chǎn)物?？涛g腔通常都希望在低壓狀態(tài)下運(yùn)行。但低壓下，難以離化！磁場增強(qiáng)離化低壓下長的平均自由程,

離化碰撞

率低在磁場中,

電子被迫旋轉(zhuǎn)電子必須運(yùn)行更長的距離碰撞的幾率增加在低壓下增加了等離子體的密度高密度等離子

(HDP)源刻蝕工藝要求低壓力在長的平均自由程中電子很容易因?yàn)榕鲎搽姌O或腔壁而丟失，較難產(chǎn)生等離子體平行板系統(tǒng)或電容耦合系統(tǒng)不能產(chǎn)生高密度的等離子體在低壓下生成高密度的等離子體需要新的系統(tǒng)：感應(yīng)耦合等離子體

(ICP)電子回旋加速諧振

(ECR)ICP

腔圖示腔上部:

陶瓷或石英源

RF

產(chǎn)生等離子體并且控制離子密度射頻偏壓控制離子轟擊能量離子能量和密度獨(dú)立受控Process

gasesPlasmaByproductstothe

pumpE-ChuckBias

RFHeliumbackside

coolingRF

coils

Source

RFProcesschamberWafer感應(yīng)耦合

RF

power變化的磁場產(chǎn)生電場電子在一定的方向上被加速可在低壓下得到高密度的等離子體磁場

中,電子回旋頻率Ωe

(MHz)=2.80B(Gauss)如果入射微波頻率等于

Ωe

ΩMW

= e產(chǎn)生諧振，電子從微波得到能量電子能被加速到高能量用以離子碰撞在低壓下生成高密度等離子體Helium

Bias

RFMagneticfield

lineECR腔圖示MicrowaveMagneticCoilsECRPlasmaWaferE-chuck刻蝕1、基本介紹2、濕法刻蝕3、干法刻蝕4、刻蝕工藝等離子刻蝕工藝介質(zhì)刻蝕硅（單、多晶）刻蝕金屬刻蝕介質(zhì)刻蝕特點(diǎn)：主要利用損傷機(jī)理，物理反應(yīng)比化學(xué)反應(yīng)多。較高的RF

power

，較低的壓力。氧化物刻蝕摻雜或沒摻雜的硅酸鹽玻璃接觸孔

(PSG

or

BPSG)過孔

(USG,

FSG

or

low-k

介質(zhì))氮化物刻蝕LOCOS(LPCVD

SiN)壓焊點(diǎn)

(PECVD

SiN)F+Si4N3

SiF4↑

+N2介質(zhì)刻蝕－2強(qiáng)氧化劑：氟自由基氟炭化合物（CF4

,

C3F8

,C4F8

,CHF3)通常被用來做為氟源NF3

、SF6、

也被應(yīng)用于氟源。通常摻入O2或H2、N2等提高選擇比化學(xué)反應(yīng)方程式：CF4+

e

→

CF3

+

F

(自由基）+

eF+SiO2

SiF4↑

+O2F/C

比率F/C

Ratio1 2 3 40-100-200刻蝕與聚合F/C

>

3,

刻蝕占主導(dǎo)F/C

<

2,

聚合占主導(dǎo)聚合物屏蔽了進(jìn)一步的刻蝕C2F4 C2F6 CF4EtchingPolymerizationBias

(Volts)聚合反應(yīng)的應(yīng)用氧化物刻蝕時(shí),

生成物氧會(huì)與C反應(yīng)釋放更多的F刻蝕硅或金屬硅化物時(shí)，沒有氧生成，F(xiàn)被消耗，F(xiàn)/C

比率下降至低于

2

時(shí)聚合物的淀積開始高BPSG-to-TiSi2

選擇比隔離側(cè)墻（spacer）刻蝕RIE

無掩?；乜蘏iO2或SiN等介質(zhì)–

可以和介質(zhì)

CVD

設(shè)備同時(shí)在線使用Gate

Oxiden-

LDDn-

LDDSidewallSpacerSidewallSpacerPolysilicon

GateCVDO3-TEOS

USGGate

Oxiden-

LDDn-

LDDPolysilicon

GateO3-TEOS

USG

回刻Gate

Oxiden-

LDDn-

LDDSidewallSpacerSidewallSpacerPolysilicon

Gate接觸孔刻蝕連接器件和金屬線的孔（下頁）摻雜的硅酸鹽玻璃,

PSG或

BPSGCF4

作為主要的刻蝕劑CHF3

提高對(duì)硅和金屬硅化物的選擇比可摻入

O2

or

H2要求對(duì)硅和金屬硅化物有高選擇比P-WaferN-WellP-WellP-EpiBPSGn+n+p+p+STIUSGWAl-Cu

AlloyCMOS

截面圖Contact

EtchTitanium/Titanium

Nitride TiNARC Titanium接觸孔刻蝕的難點(diǎn)接觸孔深度差別很大，近一倍差別。要求高的(B)PSG對(duì)

金屬硅化物選擇比STIPhotoresistTiSi2BPSGn+Δtt酒杯狀接觸孔OxidePhotoresistMetalWetetchDry

etch通孔刻蝕上下層金屬互連的通孔，（見下頁）開通孔，即刻蝕USG

or

FSG要求對(duì)金屬有高的選擇比。可用CO

來控制

F/C

比率避免金屬的濺射雙大馬士革刻蝕CMOS

截面圖P-WaferN-WellP-WellP-EpiBPSGn+n+p+p+STIUSGWVia

EtchMetal

2 Al-Cu

AlloyIMD1 USGM1 Al-Cu

Alloy硅（單、多晶）刻蝕特點(diǎn)：主要利用保護(hù)機(jī)理，化學(xué)反應(yīng)比物理反應(yīng)起更大作用。較低的

RF

power

。活性劑：Cl系和Br系，F(xiàn)系對(duì)其它材料選擇比低。單晶硅刻蝕主要應(yīng)用：淺槽隔離

(STI)－鏈接生成深槽電容

－鏈接采用硬掩膜（氮化硅/氧化硅）,因?yàn)楣饪棠z可能引起襯底玷污溴化物（HBr）

是主要的刻蝕劑單晶硅刻蝕的化學(xué)反應(yīng)plasmaHBr

Br+Si

H+

BrSiBr4↑少量的

O2

保護(hù)側(cè)壁少量的

NF3

預(yù)防硅玷污刻蝕過程時(shí)間控制多晶硅刻蝕主要應(yīng)用于：柵電極，最重要的一步刻蝕,

最小CD多晶硅局部互連DRAM電容電極要求對(duì)氧化硅有高選擇比Cl2

是主要的刻蝕劑Cl

+

Si

→SiCl4↑HBr

保護(hù)側(cè)壁,

保護(hù)機(jī)理在過刻蝕一步中加入O2

提高對(duì)氧化硅的選擇比.P-WaferSTI USGP-Well N-WellP-EpiPolysilicon

gateP-WaferN-WellP-WellP-EpiSTIUSGHighpoly-to-oxideselectivityis

requiredPolysiliconPhotoresistSingleCrystalSilicon

SubstrateSingleCrystalSilicon

SubstratePhotoresistCl SiCl4Polysilicon多晶硅柵刻蝕STI－CMOSGate

OxideCl多晶硅柵刻蝕－2p+N-wellSiO

2PRGateoxidePoly-Si

onsidewallPoly-Si

onsidewallPolyLOCOS－CMOS多晶硅柵刻蝕過程Ar+

轟擊工藝步驟:預(yù)刻蝕–

去除天然氧化層,主刻蝕高的多晶刻蝕速度,

Cl

和Br化學(xué)反應(yīng)O波長終點(diǎn)檢測(cè)過刻蝕–

減少POWER,

加入氧提高選擇比金屬刻蝕特點(diǎn)：與硅刻蝕類似，主要利用保護(hù)機(jī)理，化學(xué)反應(yīng)比物理反應(yīng)起更大作用。目的：形成金屬布線和互連金屬種類：Al（Cu、Si合金），W，Ti和TiN，金屬硅化物等。金屬刻蝕－2活性劑：Cl2+

BCl3（

N2

，O2）BCl3,

N2

用于側(cè)壁保護(hù)O2

提高對(duì)二氧化硅的選擇比主要難點(diǎn):

刻蝕形貌控制和殘留需要用物理或者化學(xué)的方法去除Al中的Cu（Cu減少電遷移、小丘等）在硅片暴露于大氣之前要去除光刻膠（HCl產(chǎn)生腐蝕Al）金屬刻蝕化學(xué)反應(yīng)Cl2

＋

e

Cl+

Cl＋eCl+

Al

AlCl3Cl+

TiN

TiCl4+

NCl+

Ti

TiCl4Cl+

W

WCl3光刻膠的干法去除遠(yuǎn)等離子源，純等離子體刻蝕–

沒有離子轟擊，僅自由基高壓力,

微波等離子體為減少金屬被侵蝕去除光刻膠中所含的氯非常重要。和刻蝕使用同一腔或系統(tǒng)光刻膠的干法去除－2O2,H2O

chemistryplasmaH2O

2H

+

O

O2

O+

OH+

Cl

HClO+PR

H2O+CO+CO2

+光刻膠的干法去除－3H2O,

O2PlasmaMicrowaveH2O,CO2,

HCl…Tothe

pumpRemoteplasma

chamberOH

OO

H

O

H

OProcess

chamberWafer

withphotoresistHeated

plate終點(diǎn)檢測(cè)每個(gè)原子有自已的光波不同的介質(zhì)刻蝕時(shí)等離子體發(fā)出不同顏色的光光傳感器可用來檢測(cè)這一變化并指出等離子刻蝕工藝的終點(diǎn)刻蝕終點(diǎn)波長FilmEtchantWavelength

(?)EmitterAlCl2,

BCl32614AlCl3962AlPoly

SiCl22882Si6156OSi3N4CF4/O23370N23862CN7037F6740NSiO2CF4and

CHF37037F4835CO6156OPSG,

BPSGCF4and

CHF3